自行式模塊運輸車驅動和懸掛系統研究與懸掛機構優化研究

林強

摘 要：隨著模塊化施工方法的廣泛應用，現階段的自行式模塊運輸車得到了大力推廣，在自行式模塊運輸車中，行走驅動系統和液壓懸掛系統是非常重要的組成部分，是提高模塊運輸車作業效率和承載能力的核心。該文結合模塊車驅動和升降液壓系統，提出了基于有限元分析的模塊車關鍵結構優化。

關鍵詞：自行式模塊運輸側 驅動和懸掛系統 結構優化

中圖分類號：TH22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（a）-0096-02

隨著經濟建設的不斷發展，基礎設施建設的規模逐漸擴大，針對大型工程建設，如果依然采用傳統的施工方法將很難控制施工進度，甚至出現成本時空的嚴重問題。近年來將模塊化施工方法應用于大型工程建設中，在場外制造出各個組件，在場內進行拼裝，以提高施工效率。隨著大型建設項目的增多，模塊化施工方法也獲得了廣泛的應用，但在應用的過程中由于模塊拆分過多不利于總裝和調試或者模塊拆分過少會對運輸條件有較高的要求，因此將自行式模塊運輸車應用到施工過程中，成為液壓平板運輸車的典型代表。自行式模塊運輸測繪自帶動力單元，無需牽引就可實現自行，主要包括動力模塊和帶驅動模快，模塊直接通過機械方式和電氣方式連接，具有較高的運輸能力。

1 模塊運輸車驅動和液壓系統

圖1是模塊運輸車液壓系統的工作流程圖。

液壓系統包括閉式行走驅動系統、轉向液壓系統、懸掛液壓系統和冷卻液壓系統，整個由微電控系統控制，實現車輛的各種動作。模塊運輸車的車身結構由高強度鋼組成，在一定的沖擊作用下仍有較高的承載能力，結構較為安全。轉向機構利用全液壓助力轉向形式液壓缸帶動整車轉向，操作十分方便。車輛應用液壓懸掛升降裝置，控制懸掛油缸的運動，根據實際路面的狀況對液壓懸掛系統進行調節，控制系統發熱的同時實現節能[1]。

1.1 行走驅動分析

自行式模塊運輸車在重載的條件下形式速度一般只有2 km/h，對穩定性提出了較高的要求。車輛中的液壓馬達一般分為低速大扭矩馬達和高速馬達。由于自行式模塊運輸車屬于重型運輸車輛，需要較高的場地適應能力，在考慮車輛工作可靠性和設備維護便利性的條件下，模塊運輸車采用高速輪邊驅動方案，將高速液壓馬達和回轉減速機相結合，在驅動液壓系統中包含雙向過濾器、變量馬達、變量泵、沖洗閥和液壓馬達控制閥等。

自行式模塊運輸車行走驅動液壓系統采用變量泵-變量馬達的容積調速回路，在系統設計之前了解不同工作狀態下的不同外力和行駛阻力。當模塊運輸車在水平道路上勻速行駛時，都要克服滾動阻力和空氣阻力，在加速狀態下還需要克服加速度的慣性力。車輛需要克服的總阻力為，其中Ft 為行駛驅動力，Ff 為滾動阻力，Fj 為加速阻力，Fw 為坡度阻力，Fi 為行駛空氣阻力。

1.2 懸掛升降液壓分析

自行式模塊運輸車結構主要包括懸掛臂、擺動臂、懸掛油缸、制動橋或驅動架。其中懸掛油缸承擔著全部載荷，由液壓油缸的伸縮控制承重平臺的升降。在應用過程中，需要重點關注負載所需的壓力和流量變化狀況，以便對車輛的運行狀態進行調整，向系統提供負載所需的液壓功率，以避免流量和壓力損失。

當系統中的方向閥處于開口截流狀態時，液壓缸的負載壓力作用于壓力補償器的彈簧端腔，對補償器的開口量進行調整，保持兩端壓力恒定，及時將液壓缸中的最大負載壓力反饋到負載敏感泵中，變量機構調整所需的壓力和流量，降低發動機的油耗，降低能量損失和廢氣排放。如果相應的節流閥沒有換向動作，整個液壓系統也會處于待命狀態，此時液壓系統提供泄露所需的流量，可以很大程度上降低能耗。

懸掛液壓系統中包含負載敏感泵、比例多路閥、壓力表、液控單向閥、防爆閥等。升降液壓系統是自行式模塊運輸車中的重要部分，也是最主要的液壓系統，在模塊運輸測繪滿載并且車架處于最高位置時，液壓懸掛的負荷會達到最大值，滿載狀態下的液壓懸掛受力決定了懸掛液壓系統的最大工作壓力。液壓泵的最大工作流量主要取決于升降速度和懸掛軸線數，在保證安全性和工作效率的前提下，升降速度需要有較大的調節范圍。在運行過程中按照貨物的重量和大小組合控制不同模塊單元之間的工作方式，模塊運輸車在不同的情況下都是由相同的液壓系統提供動力，液壓泵必須滿足不同模塊組合情況下的需求[2]。

2 模塊運輸車關鍵結構分析

傳統的設計過程中主要設計者的經驗為主，導致難以控制產品的開發成本，產品的質量也無法保證。隨著科學技術的進步，基于有限元的設計方法被廣泛應用于工程實踐中，成為技術人員必須掌握的方法。以下論述有限元分析方法。

有限元方法是現代計算領域中的重要工具，利用數學近似的方法對幾何和載荷狀態進行模擬。將一個完整的工程系統分為離散的多個系統，簡化了問題。有限元系統主要包括多個不同的節點和單元，其中節點是工程系統中的重要坐標位置，具有實際的物理意義，例如位移、溫度、壓力等。單元由不同的節點連接而成，求解單元類型的不同，導致實際應用中需要結合具體情況分析。現階段重要的有限元分析軟件有ANSYS、ABAQUS、MSC等，其中ANSYS在非線性分析領域中具有較強的能力，將流體、電場、磁場、聲場等結合在一起，是廣泛流通的有限元軟件。

利用ANSYS軟件進行有限元分析的步驟主要包括預分析、前處理、求解和后處理過程。在預分析過程中，重點對分析類型、單元類型和模型類型進行定義；在前處理過程中建立或者導入幾何模型，對材料的屬性進行定義并劃分好網格；在求解的過程中施加一定的荷載和約束，求出結果；在后處理過程中，對結果進行檢查得出相應結論，對結果進行合理分析。

懸掛機構是模塊運輸車的重要承載部分，包括懸架機構本身、車架和貨物。為了提高模塊運輸車的安全性和可靠性，必須保證懸掛機構有較強的強度和剛度，克服懸掛機構的應力和變形。

在有限元分析過程中，為了滿足網格劃分的需求，需要刪除懸掛臂頂部上的一些倒圓角，用直角替換圓角，刪除懸掛臂和擺動臂中的小倒角，刪除擺動臂與驅動橋架之間的倒角和小孔。刪除驅動橋架連接位置的倒角和小孔，對相應的模型做出清理工作。分析過程中，先將其定義為同車架靜態分析類型，再劃分懸掛臂的網格。約束處理過程中，對懸掛臂和油缸交接處利用圓柱約束，對擺動臂與懸掛臂交接處利用援助約束[3]。

3 基于遺傳算法的懸掛機構三鉸點優化

遺傳算法通過模擬自然進化過程實現全局最優解的搜索，通過目標函數和適應度函數構建全局求解方法，在應用的過程中需要先建立完善的數學模型，針對一個優化設計問題，數學模型和優化方法是重點，選擇合理的優化方法也是建立綜合模型的核心。圖2是三鉸點位置的6個變量。

其中A是懸掛升降油缸與懸掛臂形成，B是由懸掛升降油缸與擺動臂形成，3個交點的幾何關系分析中需引入相應的6個變量。在遺傳算法中利用適應度來衡量個體的適應性，適應度函數的構建一般包括直接轉換法、分段表示法和約束條件表示法。

由于懸掛結構的三鉸點優化問題屬于多目標優化，在考慮約束條件的前提下，一般將多目標優化問題轉化為單目標優化問題來進行求解，一般采用目標函數中的線性加權法將多目標函數優化問題進行轉化，構造出單目標的綜合優化函數，再利用MATLAB遺傳優化算法優化工具求出鉸點優化的滿意解，不同的變量參數如表1所示。

優化前整車的升降高度為300 mm，懸掛油缸的受力為434 kN，優化后整車的升降高度為311 mm，懸掛油缸的受力為409 kN。兩個目標均實現了優化，利用遺傳優化算法對自行式模塊運輸車懸掛機構進行優化是可行的，優化了懸掛機構的性能，同時提高了懸掛機構的承載能力。

4 結語

該文通過遺傳算法的應用，說明了對自行式模塊運輸車懸掛結構進行優化的可能性。在模塊運輸車應用的過程中，需要將行走驅動液壓系統和懸掛升降液壓系統與發動機之間進行科學的匹配，以提高發動機的功率，實現節能減排。

參考文獻

[1] 廖春雨.模塊運輸車動力單元的設計及優化[J].山東大學學報，2014，22（4）：14.

[2] 周學仲，楊公升，李淑民，等.自行式模塊運輸車懸掛結構優化[J].港工技術，2011，48（2）：47.

[3] 陳新勇，應福根.自主研發重型平板運輸車[J].湖南科技大學學報，2013，40（12）：88.